Лекция по теме: Природный газ как вид топлива

Природный газ как вид топлива. Природный   газ   ­   это   полезное   ископаемое.   Газ,   так   же   как   нефть   и   уголь, образовался в земных недрах из органических веществ животного происхождения (то есть отложений   давно   живших   организмов)   под   действием   высоких   давлений   и температур.Природный газ ­ это не однородная субстанция. Он состоит из смеси газов. Основную   часть   природного   газа   (98%)   составляет   газ   метан.   Кроме   метана,   в   состав природного газа входят этан, пропан, бутан, а также немного неуглеводородных веществ ­ водорода,   азота,   углекислого   газа,   сероводорода.Природный   газ   находится   в   земле   на глубине   от   1   до   нескольких   километров.   В   земных   недрах   газ   находится   в микроскопических пустотах ­ порах. Поры соединены между собой микроскопическими каналами ­ трещинами. По этим каналам газ поступает из пор с высоким давлением в поры с более низким давлением.Газ добывают из недр земли с помощью скважин. Газ выходит из недр   через   скважины   наружу   из­за   того,   что   в   пласте   находится   под   давлением, многократно превышающем атмосферное. Таким образом, движущей силой добычи газа с глубин   является   разность   давлений   в   пласте   и   системе   сбора.На   сегодняшний   день природный   газ   является   наиболее   важным   первичным   источником   энергии.   Все газообразные,   в   большинстве   своем   неочищенные   углеводородные   соединения,   которые добываются из недр земли и являются горючими, называются природным газом. Они не имеют запаха и содержат множество примесей. ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ: анализ эффективности работы котельных агрегатов,  работающих на жидком и твердом топливе. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: длядостижения заданной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи: ­ проведен анализ актуальных проблем поддержки принятия решений по жидким и твердым топливом. ­разработаны модели анализа и обоснования решений по рациональному выбору порядка  строительства и реконструкции объектов газоснабжения. 1 Природный газ как вид топлива Видов топлива на самом деле достаточно много:Твердое топливо   Древесина  Горючий сланец ― ―  Торф― ―  Уголь Жидкое топливо  ― ― ― ― ―  Дизельное топливо  Мазут  Бензин  Спирты  Масла Газообразное топливо  ― ― ― ― ―  Пропан  Бутан  Метан  Природный газ  Водород Почему   же   всё   большего   внимания   заслуживает   именно   природный   газ?   Запасов природного газа больше, чем запасов угля или нефти. Следовательно, запасов природного газа хватит нынешним потребителям и их потомкам. Природный газ относится к самым экономичным   энергоносителям   для   отопления,   приготовления   пищи   и   прочих хозяйственных   нужд.   Запасов   природного   газа   больше,   чем   запасов   угля   или   нефти. Перейдя на современную систему отопления природным газом, можно сэкономить до 30% предыдущего   потребления   топлива.Преимущества   природного   газа   по   сравнению   с другими видами топлива:1.Единственное первичное топливо, подача которого потребителю не требует дорогостоящей переделки. 2 2.Самое чистое топливо среди углеводородных. Выход парникового углекислого газа при сжигании природного газа самый низкий, за что он получил название «зеленое топливо»; 3.При   газовом   отоплении   городов   и   населенных   пунктов   гораздо   меньше   загрязняется воздух; 4.Высокие температуры в процессе горения (более 2000° С) и удельная теплота сгорания позволяют эффективно применять природный газ как энергетическое и технологическое топливо. Стоит отметить, что природный газ используется вместо бензина или дизельного топлива для автотранспорта.  Сжатый (или компримированный) метан дешевле бензина, он продлевает ресурс двигателя и   улучшает   экологию.   Двигатель   на   природном   газе   соответствует   экологическому стандарту Евро­4.  Газ   можно   использовать   для   обычных   автомобилей,   сельскохозяйственного,   водного, воздушного и железнодорожного транспорта. Газ находится в автомобиле в специальном баллоне в сжатом состоянии, благодаря чему он занимает гораздо меньший объем.  Прир дный газ — смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении оо органических веществ. Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых   условиях   (условиях   залегания   в   земных   недрах)   находится   в   газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых   месторождений,   либо   в   растворённом   состоянии   в   нефти   или   воде.   При нормальных условиях (101,325 кПа и 0 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов. Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Для облегчения возможности определения утечки газа в него в небольшом количестве добавляют одоранты — вещества, имеющие резкий неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц).   Чаще   всего   в   качестве   одоранта   применяется   тиолы   (меркаптаны),   например, этилмеркаптан (16 г на 1000 м³ природного газа).  Физические свойства:Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; при нормальных условиях, если не указано иное):  3 Плотность: от 0,68 до 0,85 кг/м³ (сухой газообразный); 400 кг/м³ (жидкий). Температура самовозгорания: 650 °C; Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом от 4,4 % до 17 % объёмных; Удельная теплота сгорания: 28—46 МДж/м³ (6,7—11,0 Мкал/м³)[1] (то есть 8­12 кВт∙ч/м³); Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120—130. Легче воздуха в 1,8 раза, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх. Газ   добывают   из   недр   земли   с   помощью   скважин.   Скважины   стараются   разместить равномерно   по   всей   территории   месторождения   для   равномерного   падения   пластового давления в залежи. Иначе возможны перетоки газа между областями месторождения, а также преждевременное обводнение залежи. Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте   находится   под   давлением,   многократно   превышающем   атмосферное.   Таким образом,   движущей   силой   является   разность   давлений   в   пласте   и   системе   сбора.   Газ, поступающий   из   скважин,   необходимо   подготовить   к   транспортировке   конечному пользователю   —   химический   завод,   котельная,   ТЭЦ,   городские   газовые   сети. Необходимость подготовки газа вызвана присутствием в нём, кроме целевых компонентов (целевыми для различных потребителей являются разные компоненты), также и примесей, вызывающих   затруднения   при   транспортировке   либо   применении.   Так,   пары   воды, содержащиеся   в   газе,   при   определённых   условиях   могут   образовывать   гидраты   или, конденсируясь, скапливаться в различных местах (например, изгиб трубопровода), мешая продвижению   газа;   сероводород   вызывает   сильную   коррозию   газового   оборудования (трубы, ёмкости теплообменников и т. д.). Помимо подготовки самого газа, необходимо подготовить   и   трубопровод.   Широкое   применение   здесь   находят   азотные   установки, которые применяются для создания инертной среды в трубопроводе. Для подготовки газа к транспортировке   применяются   технологические   решения   с   применением   мембранного газоразделения,   с   помощью   которого   можно   выделить   тяжёлые   углеводороды   (C3H8   и 4 выше), азот, углекислый газ, сероводород, а также значительно снизить температуру точки росы по воде и углеводородам перед подачей в ГТС.  Кроме трубопроводного транспорта широко используют специальные танкеры — газовозы. Это   специальные   суда,   на   которых   газ   перевозится   в   сжиженном   состоянии   в специализированных изотермических емкостях при температуре от −160 до −150 °С. Для   сжижения   газ   охлаждают   при   повышенном   давлении.   При   этом   степень   сжатия достигает 600 раз в зависимости от потребностей. Таким образом, для транспортировки газа этим способом, необходимо протянуть газопровод от месторождения до ближайшего морского   побережья,   построить   на   берегу   терминал,   который   значительно   дешевле обычного порта, для сжижения газа и закачки его на танкеры, и сами газовозы. Обычная вместимость современных танкеров составляет от 150 000 до 250 000 м³. Такой метод транспортировки является значительно более экономичным, чем трубопроводный, начиная с расстояний до потребителя сжиженного газа более 2000—3000 км, так как основную стоимость составляет не транспортировка, а погрузочно­разгрузочные работы, но требует более   высоких   начальных   вложений   в   инфраструктуру,   чем   трубопроводный.   К   его достоинствам относится также тот факт, что сжиженный газ куда более безопасен при перевозке и хранении, чем сжатый.  Есть   также   и   другие   технологии   транспортировки   газа,   например   с   помощью железнодорожных цистерн.  Виды  твердого топлива. Мы  давно понимаем,  что есть разные  виды твердого топлива, какие именно   и  в чем разница  между ними – на  эти вопросы  будут даны ответы  ниже. Существуют следующие виды твердого топлива: ­ древесина (дрова, щепа, опилки, пиллеты, брикеты, кора); ­ уголь ( бурый, каменный); 5 ­ торф; ­ горючие сланцы; Все  перечисленные  выше виды топлива  являются  органическими, то есть  происходят из растительного   мира.   Различие   состоит   в     химическом   возрасте   ­     биомасса   в   болотах преобразовуется в торф, далее   в бурый уголь и в конце концов   становится каменным углем. Наиболее   простым и   быстро возобновляемым   видом топлива есть древесина: дрова, горбыли, опилки, щепа,  кора, пиллеты,  топливные брикеты. Древесина как топливо  характеризуется высоким выходом летучих горючих веществ – до 85% и незначительным содержанием золы – в среднем до 1%, а также   отсутствие серы (основного   корозионного   компонента дымовых газов).Этот факт весьма выгоден как с точки зрения эффективности эксплуатации так  и с экологической точки  зрения – так как сжигание дров наименее вредно   для   атмосферы, а при   использовании     современных котлов   –   котлов   длительного     горения,   и   пиролизных   котлов   ­   которые   специально спроектированы     для     работы   на     дровах,   дает   возможность     получать     дешевое     и эффективное  отопление и водоснабжение.   уголь  подразделяется   на     длиннопламенный,   газовый,   паровичный   жирный,   коксовый паровичный спекающийся и тощий.уголь отличается большой теплотой сгорания – 21,2 – 28,07 (5097­6700 ккал/кг)   Выход горючих   летучих веществ равен 3,5­45% угли более плотные и малопористые и содержат меньше внешней влаги чем бурый   уголь. Способы хранения   каменного   угля   значительно     более   просты   так     как   они   мало   подвержены самовозгоранию.Благодаря  этим  качествам   уголь  стал самым  массовым видом топлива ­  как в  частных хозяйствах  так  и с промышленности. Торф – являеться  самым молодым ископаемым видом топлива ­  его извлекают из  болот различными способами затем сушат и  брикетируют – по своим свойствам торф близок к дровам.Торф характеризуется  средним  уровнем влажности (30­55%) который зависит от способа добычи и сушки. Зольность   торфа колеблется от 7 до 15%.   Теплота сгорания торфа 8,38­10,72 МДж/кг (3511­4492 ккал/кг)Торф в качестве топлива  стали  использовать значительно раньше чем ископаемый уголь – но в последнее время  он вытеснялся более 6 удобными  в использовании  дровами и каменным углем.  Хотя  он имеет довольно высокий потенциал и низкуюсобестоимость. Горючие сланцы – это  продукты разложения растительных остатков, оседавших на дне больших   водоемов;   смешиваясь   с   минеральными   осадками,   образовывалось   илистое вещество   –   сапропель,   которое   обогащаясь   водородом,   уплотнялось   и   превращалось   в горючие сланцы.Сланцы в среднем теплоту сгорания 10,4 МДж/кг (2477 ккал/кг), при  их  сжигании  образуется очень большое  количество   золы  64,5% Выход     летучих  у сланцев очень высок – 90%,  влажность низкая – 13%. Высокая зольность и низкое   распространение ­   привело к тому что   горючие сланцы являются довольно редким видом топлива по сравнению  с  углем и дровами. Из     выше   перечисленных   видов   топлива   наибольшей   промышленной   перспективой обладают  каменный уголь  запасы которого достигают  крупных масштабов. Для домашнего  использования  в качестве  альтернативы газу ­  самый перспективный и экологически чистый вид топлива  ­ это  дрова  и  их производные такие  как  пиллеты, щепа, опилки, брикеты.   По теплотворной   способности   они   ниже каменного угля   но имеют  ряд преимуществ: ­ низкая стоимость;; ­ возобновляемость; ­ экологичность; Жидкое топливо К жидкому топливу относятся: ­ нефтепродукты, производящиеся путем перегонки сырой нефти; ­ креозот, являющийся продуктом низкотемпературного коксования и возгонки угля; ­ синтетические масла, образующиеся в результате сжижения угля; 7 ­ прочие виды жидкого топлива, например, производящиеся из растений (картофель, рапс и т.д.) Нефть  образовалось миллионы лет назад в осадочных породах из останков животных и растений в результате воздействия высоких температур и частично бактерий. Сырая нефть обычно добывается путем бурения.  С точки зрения химического состава природная нефть представляет   собой   смесь   различных   углеводородов   (парафин,   олефин,   ароматический углеводород   и   т.д.).   Она   обрабатывается   посредством   фракционной   перегонки   (с выделением отходов перегонки) до получения легкой, средней и тяжелой фракций  нефти или подвергается процессу крекинга, при котором более крупные молекулы углеводорода разделяются на более мелкие части при нагревании под давлением. 7 Легкая фракция нефти, в особенности бензин, с температурой кипения от 50 до 200 ºС, состоит преимущественно из парафина и ограниченного количества углеводородов. Средняя фракция нефти, подразделяется на бензин (температура кипения от 200 до 250 ºС) и газойль (температура кипения от 200 до 350 ºС). Газойль в прошлом использовался в качестве сырья для производства нефтепродуктов, а сегодня применяется в основном как дизельное топливо. К данной фракции также принадлежит сверхлегкие   нефтепродукты, используемые для отопления. Тяжелая фракция нефти (температура кипения свыше 350 oС) используется в основном как   смазочный   материал,   а   также   в   качестве   топлива   на   тепловых   электростанциях   и горючего для машин, работающих на тяжелом топливе. Креозоты, продукты перегонки мазута не применяются в первичных  источниках тепловой энергии. Мазут образуется при перегонке, коксовании и низкотемпературном коксовании нефти. Использование технологий перегонки, крекинга и гидрирования позволяет выделить из  него   легкие, средние и тяжелые  фракции  (бензин, дизельное топливо,  топливо для котельных)  Глава 2. Газообразное топливо Синтетические   масла,   полученные   из   битумов   и   бурого   угля,   а   также   из   отходов переработки сырой нефти пока не используются как жидкое котельное топливо, однако в 8 будущем   они   могут   получить   более   широкое   применение.   Синтетические   масла производятся, к примеру, при ожижении угля в высокотемпературных реакторах. Мазут  (жидкое котельное топливо), как правило, является продуктом перегонки сырой нефти. Важно понимать различие между сланцевым топливом, минеральным топливом и жидким топливом из бурого угля при их применении для различных видов отопительных котлов. Сверхлегкий топливный мазут наиболее важен как  первичный источник энергии, то   же   самое   относится   к   тяжелому   топливному   мазуту,   использующимся   в промышленности. Легкие и средние мазуты практически уже не применяются. Отработанные газы, образующиеся при сжигании топливного мазута, содержат большое количество углекислого газа и воды. В таблице 4.4 приведены минимальные требования к топливному   мазуту,   с   указанием   содержания   серы,   воды,   удельной   теплотворной способности и количества производимого шлака. Метан Природный   газ­метан   способен   резко   уменьшать   объем   (в   600   раз)   при   его низкотемпературном   сжижении.   Такой   жидкий   газ   можно   перевозить   в   специальных "бензобаках" при давлении не более 6 атмосфер (давление воды в водопроводном кране). Имеется множество технических разработок и патентов по реализации такой технологии получения   жидкого   метана.   Во   всем   мире   уже   производится   и   потребляется   много миллионов   тонн   охлажденного   (до   температуры   около   ­120°С)   метана.   Продуктами полного сгорания метана являются безвредные вещества ­ углекислый газ и вода. Именно поэтому  мы   не  испытываем   неудобств   на  наших   кухнях,  где   иногда  целый  день   горят газовые (метановые) горелки. Плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь   сжатием   метана   до   20...25   МПа   (200...250   атмосфер).   Для   хранения   в   таком состоянии используются специальные баллоны, которые устанавливаются на автомобилях. Пропан­Бутан 9 Пропан­бутан   ­   синтетическое   топливо.   Его   получают   из   нефти   и   сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в 1,6 МПа (16 атмосфер). Газобаллонная аппаратура для сжиженного пропан бутана   несколько   проще.   Процесс   заправки   машин   на   газонаполнительных   станциях несложен и очень похож на заправку бензином. По своим свойствам сжиженный пропан­ бутан почти не отличается от сжатого природного газа. То же высокое октановое число, те же неплохие экологические и эксплуатационные показатели. Есть у сжиженного пропан бутана и преимущество перед метаном ­ 225 литров этого горючего хватает на пробег около 500 километров, а метана, помещающегося в восьми баллонах ­ вдвое меньший. На сжиженном газе работает вдвое меньше машин, чем на сжатом и вот почему. Пропан бутана получают в 20­25 раз меньше, чем добывают природного газа. Природный газ  — смесь углеводородов, предмет религиозного культа, спора ученых и важнейший сырьевой ресурс. Он невидим и не имеет запаха. В России его больше, чем где­ либо в мире. Из чего состоит природный газ.  Основу   природного   газа   составляет   метан   (CH4)   —   простейший   углеводород (органическое соединение, состоящее из атомов углерода и водорода). Обычно в его состав также входят более тяжелые углеводороды, гомологи метана: этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10) и некоторые неуглеводородные примеси. Заключение. Природный   газ   может   существовать   в   виде   газовых   залежей,   находящихся   в   пластах некоторых горных пород, в виде газовых шапок (над нефтью), а также в растворенном или кристаллическом виде. Запах газа Что интересно, ни один из названных газов не имеет ни цвета, ни запаха. Характерный неприятный запах, с которым в быту сталкивался практически каждый человек, придается газу   искусственно   и   называется   одорацией.   В   качестве   одорантов,   то   есть   неприятно пахнущих   веществ,   обычно   используют   серосодержащие   соединения.   Человек   может 10 уловить запах одного из самых распространенных одорантов — этантиола — даже если одна часть этого вещества придется на 50 миллионов частей воздуха. Именно благодаря одорации можно легко устанавливать утечки газа. 11